微電子工藝哈爾濱工業大學田麗tianli@864134421緒論引言微電子工藝發展狀況

微電子工藝特點與用途

本課程內容2

早在1830年，科學家已于實驗室展開對半導體的研究。他們最初的研究對像是一些在加熱后電阻值會增加的元素和化合物。這些物質有一共同點，當它們被光線照射時，會容許電流單向通過，可藉此控制電流的方向，稱為光電導效應。在無線電接收器中，負責偵測訊息的整流器，就是一種半導體電子儀器的例子。

到了1874年，電報機、電話和無線電相繼發明，使電力在日常生活中所扮演的角色，不再單單是能源的一種，而是開始步入了信息傳播的領域，成為傳播訊息的一種媒介。而電報機、電話以及無線電等早期電子儀器亦造就了一項新興的工業──電子業的誕生。

1引言3基本器件的兩個發展階段分立元件階段（1905～1959）真空電子管、半導體晶體管集成電路階段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI主要階段概述第一代電子

產品以電子管為核心。四十年代末世界上誕生了第一只半導體三極管，它以小巧、輕便、省電、壽

命長等特點，很快地被各國應用起來，在很大范圍內取代了電子管。五十年代末期，世界上出現了第一塊集成電路，它把許多晶體管等電子元件集成在一塊硅芯片上，使電子產品向更小型化發展。集成電路從小規模集成電路迅速發展到大規模集成電路和超大規模集成電路，從而使電子產品向著高效能低消耗、高精度、高穩定、智能化的方向發展。

4什么是微電子工藝微電子工藝，是指用半導體材料制作微電子產品的方法、原理、技術。不同產品的制作工藝不同，但可將制作工藝分解為多個基本相同的小單元（工序），稱為單項工藝不同產品的制作就是將單項工藝按需要順序排列組合來實現的。5微電子工業生產過程圖6npn-Si雙極型晶體管芯片工藝流程

----硅外延平面工藝舉例舉例n+npn+ebc72微電子工藝發展狀況誕生:1947年12月在美國的貝爾實驗室，發明了半導體點接觸式晶體管，采用的關鍵工藝技術是合金法制作pn結。合金法pn結示意圖加熱、降溫pn結InGeN-Ge8TheFirstTransistorfromBellLabsPhotocourtesyofLucentTechnologiesBellLabsInnovations91958年在美國的德州儀器公司和仙童公司各自研制出了集成電路，采用的工藝方法是硅平面工藝。pn結SiO2Si氧化光刻擴散摻雜誕生10JackKilby’sFirstIntegratedCircuitPhotocourtesyofTexasInstruments,Inc.1959年2月，德克薩斯儀器公司（TI）工程師J.kilby申請第一個集成電路發明專利利用臺式法完成了用硅來實現晶體管、二極管、電阻和電容，并將其集成在一起的創舉，臺式法----所有元件內部和外部都是靠細細的金屬導線焊接相連。

11仙童（Fairchild）半導體公司1959年7月，諾依斯提出：可以用蒸發沉積金屬的方法代替熱焊接導線，這是解決元件相互連接的最好途徑。1966年，基爾比和諾依斯同時被富蘭克林學會授予巴蘭丁獎章，基爾比被譽為“第一塊集成電路的發明家”而諾依斯被譽為“提出了適合于工業生產的集成電路理論”的人。1969年，法院最后的判決下達，也從法律上實際承認了集成電路是一項同時的發明。1260年代的出現了外延技術，如：n-Si/n+-Si，n-Si/p-Si。一般雙極電路或晶體管制作在外延層上。70年代的離子注入技術，實現了淺結摻雜。IC的集成度提高得以實現。新工藝，新技術，不斷出現。（等離子技術的應用，電子束光刻，分子束外延，等等）發展13戈登-摩爾提出摩爾定律英特爾公司的聯合創始人之一----戈登-摩爾早在1965年，摩爾就曾對集成電路的未來作出預測。“摩爾定律”：集成電路上能被集成的晶體管數目，將會以每18個月翻一番的速度穩定增長。

14DROM集成度與工藝的進展年代1985年1988年1991年1994年1997年2000年集成度1M4M16M64M256M1G最小線寬1.250.80.60.50.350.18光刻技術光學曝光準分子電子束電子束X射線（電子束）摩爾定律：每隔3年IC集成度提高4倍152002年1月：英特爾奔騰4處理器推出，高性能桌面臺式電腦由此可實現每秒鐘22億個周期運算。它采用英特爾0.13微米制程技術生產，含有5500萬個晶體管。2002年8月13日：英特爾透露了90納米制程技術的若干技術突破，包括高性能、低功耗晶體管，應變硅，高速銅質接頭和新型低-k介質材料。這是業內首次在生產中采用應變硅。2003年3月12日：針對筆記本的英特爾·迅馳·移動技術平臺誕生，包括了英特爾最新的移動處理器“英特爾奔騰M處理器”。該處理器基于全新的移動優化微體系架構，采用英特爾0.13微米制程技術生產，包含7700萬個晶體管。2005年5月26日：英特爾第一個主流雙核處理器“英特爾奔騰D處理器”誕生，含有2.3億個晶體管，采用英特爾領先的90納米制程技術生產。2006年7月18日：英特爾安騰2雙核處理器發布，采用世界最復雜的產品設計，含有17.2億個晶體管。該處理器采用英特爾90納米制程技術生產。2006年7月27日：英特爾·酷睿?2雙核處理器誕生。該處理器含有2.9億多個晶體管，采用英特爾65納米制程技術在世界最先進的幾個實驗室生產。2007年1月8日：為擴大四核PC向主流買家的銷售，英特爾發布了針對桌面電腦的65納米制程英特爾·酷睿?2四核處理器和另外兩款四核服務器處理器。英特爾·酷睿?2四核處理器含有5.8億多個晶體管。2007年1月29日：英特爾公布采用突破性的晶體管材料即高-k柵介質和金屬柵極。英特爾將采用這些材料在公司下一代處理器——英特爾酷睿?2雙核、英特爾酷睿?2四核處理器以及英特爾至強系列多核處理器的數以億計的45納米晶體管或微小開關中用來構建絕緣“墻”和開關“門”。采用了這些先進的晶體管，已經生產出了英特爾45納米微處理器。16電子產品發展趨勢：更小，更快，更冷現有的工藝將更成熟、完善；新技術不斷出現。當前，光刻工藝線寬已達0.045微米。由于量子尺寸效應，集成電路線寬的物理極限約為0.035微米，即35納米。另外，硅片平整度也是影響工藝特征尺寸進一步小型化的重要因素。微電子業的發展面臨轉折。上世紀九十年代納電子技術出現，并越來越受到關注。

未來17微/納電子技術1990年代以來，納米科技高速發展，微電子技術是主要推動力。基于納電子學、分子電子學的納分子器件，納固態電子器件等也獲得了飛速發展：單電子晶體管、分子開關等納電子器件和簡單電路都已出現。采用的工藝除一些先進的IC工藝，如MBE，電子束光刻外，還有自組裝等納米技術。電子技術的發展真空電子技術微電子技術微/納電子技術18納米電子技術納米電子學主要在納米尺度空間內研究電子、原子和分子運動規律和特性，研究納米尺度空間內的納米膜、納米線，納米點和納米點陣構成的基于量子特性的納米電子器件的電子學功能、特性以及加工組裝技術。其性能涉及放大、振蕩、脈沖技術、運算處理和讀寫等基本問題。從微電子技術到納米電子器件將是電子器件發展的第二次變革，與從真空管到晶體管的第一次變革相比，它含有更深刻的理論意義和豐富的科技內容。在這次變革中，傳統理論將不再適用，需要發展新的理論，并探索出相應的材料和技術。193微電子工藝特點及用途高技術含量設備先進，技術先進。高精度光刻圖形的最小線條尺寸在深亞微米量級，制備的介質薄膜厚度也在納米量級，而精度更在上述尺度之上。超純指所用材料方面，如襯底材料Si、Ge單晶純度達11個9。超凈環境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈室，ULSI在100級超凈室制作，超凈臺達10級。大批量，低成本圖形轉移技術使之得以實現。2021世紀硅微電子技術的三個主要發展方向特征尺寸繼續等比例縮小集成電路(IC)將發展成為系統芯片(SOC)----SoC是一個通過IP設計復用達到高生產率的軟/硬件協同設計過程微電子技術與其它領域相結合將產生新的產業和新的學科，例如MEMS、DNA芯片等----其核心是將電子信息系統中的信息獲取、信息執行與信息處理等主要功能集成在一個芯片上，而完成信息處理處理功能。微電子技術的三個發展方向21工藝課程學習主要應用制作微電子器件和集成電路微機電系統(microelectromechanicolSystemMEMS)的所依托的微加工技術納米技術，如光刻—圖形復制轉移工藝，MBE等224本課程內容重點介紹單項工藝和其依托的科學原理。如：氧化、光刻、擴散、離子注入、物理氣相淀積，化學氣相淀積，外延等。簡單介紹典型產品的工藝流程，芯片的封裝、測試，以及新工藝、新技術、工藝技術的發展趨勢。23本課程講述的主要內容1單晶硅及氧化2摻雜技術（擴散、離子注入）3薄膜技術（物理氣相淀積、化學氣相淀積、外延）4光刻與刻蝕工藝5金屬化與多層互連6工藝集成24教材與參考書關旭東《硅集成電路工藝基礎》北京大學出版2003清華大學《集成電路工藝》多媒體教學課件2001StephenA.C.《微電子制造科學原理與工程技術》電子工業出版社，2003王蔚《微電子工藝》校內教材200225考試與課程評定期末考試采取筆試方式，考試成績占總成績的60%；平時成績占40%，出勤10%，小測驗10%，作業20%。26第一章硅的晶體結構27第1章單晶硅結構、制備方法1.1硅晶體結構的特點1.2晶向、晶面和堆積模型1.3硅晶體缺陷1.4硅中雜質1.5雜質在硅晶體中的溶解度1.6硅單晶的制備281.1硅晶體結構的特點硅是微電子工業中應用最廣泛的半導體材料，占整個電子材料的95％左右，人們對它的研究最為深入，工藝也最成熟，在集成電路中基本上都是使用硅材料。硅四面體結構鍵角：109o28′29硅、鍺、砷化鎵電學特性比較鍺應用的最早，一些分立器件采用；砷化鎵是目前應用最多的化合物半導體，主要是中等集成度的高速IC，及超過GHz的模擬IC使用，以及光電器件從電學特性看硅并無多少優勢性質SiGeGaAs擊穿電場（V/μm）30835禁帶類型間接間接直接禁帶寬度（eV）1.120.671.43晶格遷移率Cm2/V.s電子135039008600空穴4301900250本征載流子濃度（cm-3）

1.45*1010

2.4*1018

9.0*106

30硅作為電子材料的優點原料充分；硅晶體表面易于生長穩定的氧化層，這對于保護硅表面器件或電路的結構、性質很重要；重量輕，密度只有2.33g/cm3；熱學特性好，線熱膨脹系數小，2.5*10-6/℃，熱導率高，1.50W/cm·℃；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；機械性能良好。31硅晶胞：金剛石結構的立方晶胞晶格常數：α=5.4305?原子密度：8/a3=5*1022cm-3原子半徑：rSi=√3a/8=1.17?空間利用率：321.2硅晶向、晶面和堆積模型硅的幾種常用晶向的原子分布圖晶格中原子可看作是處在一系列方向相同的平行直線系上，這種直線系稱為晶列。標記晶列方向用晶向,記為[m1m2m3]。用<m1m2m3>表示等價的晶向.1/a1.41/a1.15/a晶向33硅晶面晶體中所有原子看作處于彼此平行的平面系上，這種平面系叫晶面。用晶面指數(h1h2h3)標記。如（100）晶面（又稱密勒指數）。等價晶面表示為{100}[100]晶向和(100)面是垂直的。立方晶系的幾種主要晶面34硅晶面硅常用晶面上原子分布Si面密度：2/a22.83/a22.3/a235堆積模型圖六角密積：ABAB立方密積：ABCABC36六角密積37立方密積：第三層的另一種排列方式，是將球對準第一層的2，4，6位，不同于AB兩層的位置，這是C層。12345612345612345638ABAB…六角密積（鎂型）ABCABC…立方密積（銅型）39面心立方晶格在[111]晶向是立方密積，(111)面是密排面40硅晶體為雙層立方密積結構硅單晶由兩套面心立方結構套構而成，有雙層密排面AA′BB′CC′雙層密排面：原子距離最近，結合最為牢固，能量最低，腐蝕困難，容易暴露在表面，在晶體生長中有表面成為{111}晶面的趨勢。兩層雙層密排面之間：原子距離最遠，結合脆弱，晶格缺陷容易在這里形成和擴展，在外力作用下，很容易沿著{111}晶面劈裂，這種易劈裂的晶面稱為晶體的解理面。41解理面（111）面為解理面，即為天然易破裂面。實際上由硅片破裂形狀也能判斷出硅面的晶向。（100）面與（111）面相交成矩形，（100）面硅片破裂時裂紋是呈矩形的；（111）面和其它（111）面相交呈三角形，因此（111）面硅片破裂時裂紋也是呈三角形，呈60°角。硅晶體不同晶面、晶向性質有所差異，因此，微電子工藝是基于不同產品特性，采用不同晶面的硅片作為襯底材料。421.3硅晶體缺陷在高度完美的單晶硅片中，實際也存在缺陷。有：零維--點缺陷、一維--線缺陷、二、三維--面缺陷和體缺陷晶體缺陷對微電子工藝有多方面的影響。43點缺陷點缺陷有：空位V，V+、V-、V2-自間（填）隙原子雜質，替位雜質A，填隙雜質Ai空位和自填隙的組合稱為弗倫克爾缺陷，V-I空位V稱為肖特基缺陷V+AiAIVe/21cn/%E6%9D%90%E6%96%99%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%9F%BA%E7%A1%80/doc/chap3/images/6.swf44五、點缺陷對材料性能的影響第二節點缺陷原因：無論那種點缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結點位置才能平衡，即造成小區域的晶格畸變。

效果提高材料的電阻定向流動的電子在點缺陷處受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速運動提高局部溫度(發熱)。加快原子的擴散遷移空位可作為原子運動的周轉站。形成其他晶體缺陷過飽和的空位可集中形成內部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯。改變材料的力學性能空位移動到位錯處可造成刃位錯的攀移，間隙原子和異類原子的存在會增加位錯的運動阻力。會使強度提高，塑性下降、45線缺陷線缺陷最常見的就是位錯。位錯附近，原子排列偏離了嚴格的周期性，相對位置發生了錯亂。位錯可看成由滑移形成，滑移后兩部分晶體重新吻合。在交界處形成位錯。用滑移矢量表征滑移量大小和方向。123BA缺陷附近共價鍵被壓縮1、拉長2、懸掛3，存在應力46刃位錯和螺位錯位錯主要有刃位錯和螺位錯：位錯線與滑移矢量垂直稱刃位錯；位錯線與滑移矢量平行，稱為螺位錯。硅晶體的雙層密排面間原于價鍵密度最小，結合最弱，滑移常沿{111}面發生，位錯線也就常在{111}晶面之間。該面稱為滑移面。47刃形位錯的運動攀移滑移原位48面缺陷和體缺陷面缺陷主要是由于原子堆積排列次序發生錯亂，稱為堆垛層錯，簡稱層錯。體缺陷是雜質在晶體中沉積形成；晶體中的空隙也是一種體缺陷。49缺陷的產生及結團缺陷是存在應力的標志，微電子工藝過程中能夠誘導缺陷的應力主要有三種：存在大的溫度梯度，發生非均勻膨脹，在晶體內形成熱塑性應力，誘生位錯；晶體中存在高濃度的替位雜質，而這些雜質和硅原子大小不同，形成內部應力誘生缺陷；硅晶體表面受到機械外力，如表面劃傷、或受到轟擊（離子，射線等），外力向晶體中傳遞，誘生缺陷。結團作用高濃度低維缺陷傾向于集聚，形成更高維缺陷，釋放能量50缺陷的去除缺陷在器件的有源區（晶體管所在位置）影應響其性能，必須設法使之減少。單晶生長時的工藝控制；非本征吸雜，在無源區引入應變或損傷區來吸雜；本征吸雜，氧是硅片內固有的雜質，硅中氧沉淀，氧有吸雜作用，是一種本征吸雜。511.4硅中雜質半導體材料多以摻雜混合物狀態出現，雜質有故意摻入的和無意摻入的。故意摻入Si中的雜質有ⅢA、VA族,金。故意雜質具有電活性，能改變硅晶體的電學特性。無意摻入Si中的雜質有氧，碳等。1.45*101052雜質對Si電學特性的影響ⅢA、VA族電活性雜質主要有：硼、磷、砷，銻等淺能級雜質金等雜質在室溫時難以電離，多數無電活性，是復合中心，具有降低硅中載流子壽命的作用，是深能級雜質空穴硅晶體中硼電離示意圖BˉB束縛電子自由電子硅晶體中磷電離示意圖P+P施主電離能

受主電離能

53硅晶體中雜質能級和電離能54硅單晶電阻率與摻雜濃度關系曲線硅的電阻率-摻雜濃度曲線不同類型雜質對導電能力相互抵消的現象叫雜質補償。硅中同時存在磷和硼，若磷的濃度高于硼，那么這就是N型硅。不過導帶中的電子濃度并不等于磷雜質濃度，因為電離的電子首先要填充受主，余下的才能發送到導帶。551.5雜質在硅晶體中的溶解度一種元素B(溶質)引入到另一種元素A(溶劑)晶體中時，在達到一定濃度之前，不會有新相產生，仍保持原A晶體結構，這樣的晶體稱為固溶體。在一定溫度和平衡態，元素B能夠溶解到晶體A內的最大濃度，稱為雜質B在晶體A中的固溶度。56固溶體固溶體主要可分為兩類：替位式固溶體和間隙式固溶體。Si中ⅢA、VA族雜質形成替位式有限固溶體。替位式固溶體溶劑和溶質應滿足必要條件：原子半徑相差小于15％，稱“有利幾何因素”r：Si1.17,B0.89,P1.10?；原子外部電了殼層結構相似；晶體結構的相似。57硅晶體中雜質的固溶度摻雜濃度可以超過固溶度。給含雜質原子的硅片加熱，再快速冷卻，雜質濃度可超出其固溶度的10倍以上。58相圖知識59二元相圖當存在兩個組元時，成分也是變量，但一種組元的含量為獨立，另一組元則為余下部分。為在二維平面上表示，通常只考慮在常壓下，取兩個變量溫度和成分。橫座標用線段表示成分，縱座標表示溫度。平面上以按這時平衡狀態下存在的相來分隔。60相圖用途由材料的成分和溫度預知平衡相；材料的成分一定而溫度發生變化時其他平衡相變化的規律；估算平衡相的數量。預測材料的組織和性能61二、相圖與冷卻曲線的關系：成分一定，在冷卻過程中，不同的相熱容量不相同，如果系統散熱能力一樣，溫度隨時間的變化(冷卻)曲線上的斜率將不同，曲線的轉折點對應溫度就是某些相開始出現或完全小時的溫度，利用這一特點，由實測的冷卻曲線可以作出相圖。62相圖的構成：由兩條曲線將相圖分為三個區。左右兩端點分別為組元的熔點。上面的一條曲線稱為液相線，液相線之上為液相的單相區，常用L表示；下面的一條曲線稱為固相線，固相線之下為固溶體的單相區，常用α表示；兩條曲線之間是雙相區，標記L+α表示。兩組元在液態和固態都能無限互溶。如Cu—Ni、Ag—Au形成二元合金對應的相圖就是二元勻晶相圖。63二、兩相平衡時的數量分配規律－－杠桿定律如圖，合金x在溫度T1將由兩相長期并存，這時兩相的成分和數量保持不變。過x點作水平線交液相線和固相線于a、c點，經熱力學證明a、c點的成分分別為平衡的液體和固體的成分，設mL和m

分別為兩相的數量，由物質不滅可推導出：一般用占總體數量的百分比的相對值來表示。如果把線段axc當成一杠桿，則他們滿足杠桿力的平衡原理，所以稱之為杠桿定律。用杠桿定律來分析在理解和使用都有好的直觀性和方便。適用所有兩相平衡。64連續性固溶體：鍺-硅相圖硅-鍺二元相圖：可完全互溶，又稱為同晶體系，用杠桿規則計算各組分量LS1414℃938.3℃結晶區T1T2CmClCSLS65二元包晶相圖形式兩組元在液態下無限互溶，固態下有限溶解，并且發生包晶轉變。包晶轉變：由一個特定成分的固相和液相生成另一個特點成分固相的轉變。PeritecticReaction包晶相圖：具有包晶轉變特征的相圖。

相圖的構成：ac和bc為兩液相線，與其對應的ad和bp為兩固相線；df和pg固溶體α、β的溶解度隨溫度變化線；dpc為包晶轉變線。它們分隔相圖為三個單相區L、α、β；三個雙相區L＋α、L＋β、α＋β；一個三相區L＋α＋β，即水平線dpc為包晶線。包晶轉變

L+α→β

66砷-硅體系相圖兩種中間化合物：SiAs和SiAs2。有三個體系，Si-SiAs，SiAs-SiAs2，SiAs2-As。有一重量比為86%As熔融體從高溫開始冷卻。在溫度達1020℃時，固體SiAs從熔體中結晶出來，熔體成為富砷相，直到溫度降至944℃，這時液相組成為90%As+10%Si。溫度繼續下降時，固體的SiAs與一些剩余的熔體結合形成液體+SiAs2相，SiAs被包在SiAs2中。當溫度降至786℃，SiAs2和β相都從液相析出。該體系稱包晶體系。As-Si體系相圖（Si）671.6.1多晶硅的制備1.6.2單晶硅生長1.6.3硅片制造1.6硅（單晶）片制備681.6.1多晶硅的制備制備多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也稱硅石），就是二氧化硅，通過冶煉獲得多晶硅，再經一系列化學的、物理的提純工藝就制出半導體純度的多晶硅。電子級多晶硅純度可達11N。69半導體純度多晶硅制備流程冶煉SiO2+C→Si+CO↑主要雜質：Fe、Al、C、B、P、Cu要進一步提純。酸洗hydrochlorination

Si+3HCl→SiHCl3+H2Si+2Cl2→SiCl4硅不溶于酸，所以粗硅初步提純是用HCl、H2SO4、王水、ＨＦ等混酸泡洗至Ｓi含量99.7%以上。蒸餾提純distillation利用物質的沸點不同，而在精餾塔中通過精餾來對其進行提純

先將酸洗過的硅氧化為SiHCl3或SiCl4，常溫下SiHCl3

沸點31.5℃，與SiCl4沸點57.6℃都是液態，蒸餾獲得高純的SiHCl3或SiCl4。分解discomposition

SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl氫氣易于凈化，且在Si中溶解度極低，因此，多用H2來還原SiHCl3和SiCl4，還原得到的硅就是半導體純度的多晶硅。

7071多晶硅結構模型和性質多晶硅呈各向同性多晶硅是由無數微小晶粒以不同取向無規則的堆積而成，晶粒內部原子排列有序，晶粒的大小和取向與制備方法、工藝條件有關，晶粒各向異性，在晶粒與晶粒之間是晶界，晶界處原子排列無序，多晶硅的晶粒各個取向都有多晶硅內雜質在晶粒與晶界之間有分凝效應晶粒內雜質濃度低，而晶界處雜質濃度高；晶界處形成大量晶體缺陷，由此產生陷阱效應，易俘獲載流子。多晶硅與單晶硅比較具有：電阻率大，且電阻的溫度系數可通過摻雜濃度選正、負、零；雜質在其內部擴散速率快；少子壽命低，約比單晶硅低三個數量級。721.6.2單晶硅生長采用熔體生長法制備單晶硅棒多晶硅→熔體硅→單晶硅棒

按制備時有無使用坩堝又分為兩類 有坩堝的：直拉法、磁控直拉法； 無坩堝的：懸浮區熔法。

73直拉法-Czochralski法(CZ法)原理物質的本質：原子以哪種方式結合使系統吉布斯自由能更低。溫度高時原子活動能力強，排列紊亂能量低，而低溫下按特定方式排列結合能高可降低其總能量----這是熱力學的基本原則。熔融液體的粘度：粘度表征流體中發生相對運動的阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達結晶轉變溫度前。粘度增加到能阻止在重力作用物質發生流動時，即可以保持固定的形狀，這時物質已經凝固，不能發生結晶。熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達結晶溫度原子來不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時難以重組合成晶體，可以將無規則排列固定下來。固體狀態下原子的排列方式有無規則排列的非晶態，也可以成為規則排列的晶體。決定因素有三方面:74結晶的熱力學條件熱力學定律指出，在等壓條件下，一切自發過程都是朝著系統自由能（即能夠對外做功的那部分能量）降低的方向進行。晶體生長過程亦即相變過程。熔體硅→晶體硅，是相界面推移過程。（1）G-T曲線a是下降曲線：由G-T函數的一次導數（負）確定。

dG/dT=-Sb是上凸曲線：由二次導數（負）確定。

d2G/d2T=-Cp/Tc液相曲線斜率大于固相：由一次導數大小確定。二曲線相交于一點，即材料的熔點。75結晶的熱力學條件

因為液體的熵值恒大于固體的熵，所以液體的曲線下降的趨勢更陡，兩曲線相交處的溫度Tm，當溫度T=Tm時，液相和固相的自由能相等，處于平衡共存，所以稱Tm為臨界點，也就是理論凝固溫度。當T<Tm時，從液體向固體的轉變使吉布斯自由能下降，是自發過程，發生結晶過程；當T>Tm時，從固體向液體的轉變使吉布斯自由能下降，是自發過程，發生熔化過程。結晶過程的熱力學條件就是溫度在理論熔點以下。76由結晶熱力學，在單一的組元情況下，在一定的過冷度下，液體中若出現一固態的晶體，該區域的能量將發生變化，一方面一定體積的液體轉變為固體，體積自由能會下降，另一方面增加了液－固相界面，增加了表面自由能，因此總的吉布斯自由能變化量為：

σ為密度，γ為界面能（界面張力），A為表面積

ΔG<0，是自發過程，Tm為熔點，定義：表述材料過冷的程度，將理論轉變溫度與實際所處在的溫度之差稱為過冷度，ΔT=T-Tm。過冷度越大自發過程越易發生----過冷是結晶的必要條件之一77單晶的制備根據凝固理論，要想得到單晶體，在凝固的過程中只有晶體長大而不能有新的晶核形成，采取的措施就是：熔體的純度非常高，防止非均勻形核；液體的溫度控制在精確的范圍內，過冷度很小，可以生長但不足以發生自發形核；引入一個晶體(晶種)，僅讓這個晶體在此環境中長大。78結晶動力學研究結晶物質的結晶形成方式和過程以及結晶速率對時間、溫度和分子結構等影響因素的依賴關系。

固液界面處，熔體硅必須釋放熱能（結晶潛能L），并在界面處產生一大的溫度梯度（約100℃/cm)。在一維分析中，令界面處單位體積內的能流平衡----液態和固態硅在熔融溫度下的熱導率----質量傳遞速度式中79提拉速度問題在直拉工藝條件下，兩個熱擴散項都為正值，且第一項〉第二項，所以晶錠提升有一個最大提拉速度假設向上擴散到固體的熱量都由界面處結晶潛熱產生（第一項為0），熔體部分沒有溫度梯度，則80直拉法-Czochralski法(CZ法)在坩堝中放入多晶硅，加熱使之熔融，用一個夾頭夾住一塊適當晶向的籽晶，將它懸浮在坩